ocena ścieków browarnianych w wybranych punktach linii

Transkrypt

ocena ścieków browarnianych w wybranych punktach linii
Proceedings of ECOpole
DOI: 10.2429/proc.2016.10(1)023
2016;10(1)
Teresa KRZYŚKO-ŁUPICKA1 i Katarzyna BŁASZCZYK1
OCENA ŚCIEKÓW BROWARNIANYCH
W WYBRANYCH PUNKTACH LINII TECHNOLOGICZNEJ
THE ASSESSMENT OF BREWERY WASTEWATER
FROM CHOSEN POINTS OF THE PRODUCTION LINE
Abstrakt: Źródłem ścieków browarnianych są: warzelnia, fermentownia, leżakownia, rozlewnia oraz miejsce
mycia opakowań. W zależności od etapu produkcyjnego ścieki te cechują zróżnicowane parametry
mikrobiologiczne i fizykochemiczne. Ze względu na dużą zawartość substancji organicznych mogą one stanowić
pożywkę dla różnych grup mikroorganizmów. Celem badań była ocena mikrobiologiczna ścieków browarnianych
w trzech różnych punktach linii technologicznej ze szczególnym uwzględnieniem obecności mikroorganizmów
potencjalnie chorobotwórczych. Materiał badawczy stanowiły ścieki pobrane z komór zbierających ścieki 1 i 2
oraz kolektora przy wylocie do rzeki. Badania mikrobiologiczne obejmowały oznaczenia ogólnej liczby
mikroorganizmów mezofilnych, psychrofilnych, proteolitycznych, drożdży i grzybów strzępkowych, bakterii
grupy coli (metodą fermentacyjną probówkową) oraz mikroorganizmów potencjalnie chorobotwórczych.
Oznaczenia fizykochemiczne wykonano z uśrednionych 24-godzinnych ścieków surowych i obejmowały
oznaczenia: pH, BZT5, ChZT, utlenialności zawiesiny ogólnej, form azotu, fosforu ogólnego, chlorków
i siarczanów. Najwyższy stopień zanieczyszczenia mikrobiologicznego cechował komorę 1, odbierającą ścieki
z warzelni, fermentowni, leżakowni i bytowo-gospodarcze, oraz kolektor wylotowy ścieków. Wysoka liczba
mikroorganizmów mezofilnych i psychrofilnych wskazuje na dużą ilość łatwo przyswajalnej materii organicznej.
Natomiast 10-krotnie wyższa liczebność bakterii mezofilnych spowodowana była podwyższoną temperaturą
ścieków. Wysokie pH (9,85) sprzyjało procesom proteolizy, co potwierdza wysoka liczba mikroorganizmów
proteolitycznych (4,2·105 jtk·cm–1). Wysoki udział azotu amonowego w azocie ogólnym wskazuje na
zahamowanie procesów nitryfikacji. Obecność w ściekach bakterii potencjalnie chorobotwórczych z rodziny
Enterobacteriaceae i rodzajów Pseudomonas, Staphylococcus, Streptococcus, jak również wysokie miano coli
wskazują, że surowe ścieki stwarzają zagrożenie zarówno dla pracowników, jak i środowiska.
Słowa kluczowe: ścieki browarniane, ocena mikrobiologiczna, analiza fizykochemiczna
Wstęp
Prawie 58% ścieków powstających w produkcji napojów jest wytwarzanych
w browarnictwie. Jednostkowe zużycie wody w browarze wynosi 400-1000 dm3 na
0,1 m3 piwa, a ilość wytworzonych ścieków jest równa ilości zużytej wody pomniejszonej
o wodę zawartą w produkcie i straty (odparowanie, woda w odpadach). W trakcie produkcji
na 0,1 m3 wyprodukowanego piwa powstaje ok. 23 kg odpadów oraz 220-870 dm3 ścieków
[1, 2].
Surowe ścieki z browarów charakteryzują się wysokim stężeniem zanieczyszczeń
organicznych (3-5 razy większym niż typowe ścieki komunalne) i zmiennym odczynem,
dlatego oczyszczalnie ścieków należą do najtrudniejszych instalacji technologicznych
w browarach.
Źródłami ścieków browarnianych są: warzelnia, fermentownia, leżakownia, rozlewnia
oraz myjnia opakowań. Ogólne obciążenie ścieków wynosi 1,35 kg BZT5·0,1 m–3 piwa,
a zdecydowanie największy ładunek zanieczyszczeń (0,68 kg BZT5·0,1 m–3 piwa) pochodzi
1
Samodzielna Katedra Biotechnologii i Biologii Molekularnej, Uniwersytet Opolski, ul. kard. B. Kominka 6a,
45-035 Opole, tel. 77 401 60 57, email: [email protected]
*
Praca była prezentowana podczas konferencji ECOpole’15, Jarnołtówek, 14-16.10.2015
202
Teresa Krzyśko-Łupicka i Katarzyna Błaszczyk
z fermentowni i leżakowni [2-4]. Właściwymi ściekami poprodukcyjnymi są stężone ścieki
powstające przy otrzymywaniu brzeczki w postaci odcieków z wysłodzin oraz tzw. stężone
ścieki płuczkowe - po płukaniu i odciskaniu wytwarzanych w czasie fermentacji drożdży.
Dodatkowo wytwarzane są duże ilości wód z płukania i mycia kadzi, biofermentorów,
zbiorników, butelek, kegów, urządzeń, pomieszczeń produkcyjnych i magazynów oraz
wody pochodzącej z kondensatów urządzeń chłodniczych (czasami słabo zaolejone)
i okresowo popłuczyny z wymienników jonowych [1, 3, 5]. Największy ładunek
zanieczyszczeń stanowią zanieczyszczenia stałe, takie jak: drożdże, osady z brzeczki,
ziemie filtracyjne oraz ekstrakt zawarty w brzeczce i piwie, które jako odcieki trafiają do
kanalizacji. Oprócz zanieczyszczeń organicznych ścieki te zawierają również roztwory
środków myjąco-dezynfekujących, w szczególności wpływających na obniżenie lub
podwyższenie odczynu (kwasy i ług sodowy), związki azotu i fosforu (kwas azotowy
i fosforowy) [2].
W zależności od etapu produkcyjnego ścieki cechują zróżnicowane parametry
mikrobiologiczne i fizykochemiczne. W celu uśrednienia obciążenia ścieków oraz ich
neutralizacji (np. ścieki z butelkowni są silnie alkaliczne - pH ok. 11) zbierane są one
w zbiornikach wyposażonych w urządzenia pomiarowe, rejestrujące i regulujące.
W ściekach browarnianych ChZT wynosi 1000-4000 mg O2·dm–3, BZT5
70-1500 mg O2·dm–3, zawiesina ogólna 206-1387 mg·dm–3, pH 4,0-7,0, temperatura
13-29ºC [6].
Ze względu na dużą zawartość substancji organicznych są one dobrym środowiskiem
rozwoju różnych grup mikroorganizmów, w tym potencjalnie chorobotwórczych. Źródłem
tych ostatnich mogą być przede wszystkim ścieki bytowo-gospodarcze [7-10]. Celem badań
była ocena mikrobiologiczna ścieków browarnianych w trzech różnych punktach linii
technologicznej ze szczególnym uwzględnieniem obecności mikroorganizmów potencjalnie
chorobotwórczych.
Materiały i metody
Materiał badawczy stanowiły ścieki pochodzące z browaru na terenie Opolszczyzny.
Próbki ścieków pobrano w trzech różnych punktach linii technologicznej:
1. komory odbierającej ścieki z warzelni, fermentowni, leżakowni i bytowo-gospodarcze,
2. komory odbierającej ścieki z rozlewni,
3. z kolektora wylotowego ścieków.
Ocenę składu ilościowo-jakościowego bakterii mezofilnych, psychrofilnych
i proteolitycznych, drożdży, grzybów strzępkowych oraz mikroorganizmów potencjalnie
chorobotwórczych przeprowadzono metodą hodowlaną (dziesięciokrotnych rozcieńczeń
Kocha) na pożywkach:
• Agar odżywczy - bakterie mezofilne i psychrofilne
• Fraziera - bakterie proteolityczne
• Sabouraund - grzyby strzępkowe i drożdże
• Hektoen, SS, Endo - bakterie rodziny Enterobacteriaceae
• Parker - Staphylococcus ssp.
• King B - Pseudomonaceae
• STV - Enterococcus ssp.
Ocena ścieków browarnianych w wybranych punktach linii technologicznej
203
Hodowle bakterii mezofilnych oraz potencjalnie chorobotwórczych inkubowano
24-48 godzin w temperaturze 35ºC, a bakterii psychrofilnych 48-72 godzin w temperaturze
20ºC. Natomiast drożdże inkubowano w temperaturze 30ºC przez 48 godzin, a grzyby
strzępkowe 7 dób w temperaturze 25ºC. Po inkubacji liczono wyrosłe kolonie, a wynik
podano jako lg jtk·cm–3.
Oznaczenie miana coli wykonano metodą fermentacyjną dwuprobówkową w płynnym
podłożu Ejkmana. Próby inkubowano 24 godziny w temperaturze 37ºC, a następnie
wykonywano testy potwierdzające na podłożu Endo (PN-C-04615-05:1975). Najbardziej
prawdopodobną liczbę bakterii (NLP)·100 cm–3 wyznaczono według normy
PN-ISO 7251:2006.
Analiza fizykochemiczna została wykonana z uśrednionych 24-godzinnych ścieków
surowych i obejmowała oznaczenia pH, temperatury, zawartości różnych form azotu
i fosforu ogólnego, zawiesiny ogólnej, BZT5 i ChZT w próbkach homogenizowanych
i sączonych.
Analiza wyników
log jtk [-]
Miejsce poboru próbki wpływało w znaczny sposób na skład ilościowo-jakościowy
mikroorganizmów obecnych w ściekach. We wszystkich badanych próbkach stwierdzono
wysoką liczebność bakterii mezo- i psychrofilnych oraz proteolitycznych, co wskazuje na
obecność w ściekach dużej ilości łatwo przyswajalnej materii organicznej. Natomiast
10-krotnie (w próbkach 1 i 2) i 20-krotnie (w próbce 3) większa liczebność bakterii
mezofilnych świadczy o podwyższonej temperaturze ścieków (rys. 1). Z kolei wysoka
liczba mikroorganizmów proteolitycznych (średnio 4,2·105 jtk·cm–1) wskazuje na,
sprzyjającą proteolizie, alkaliczność ścieków.
7
6
5
4
3
2
1
0
bakterie mezofilne
bakterie psychrofilne
1
2
3
bakterie proteolityczne
próbki
Rys. 1. Ogólna liczba bakterii mezofilnych, psychrofilnych i proteolitycznych w ściekach z: warzelni,
fermentowni, leżakowni i bytowo-gospodarczych (1), rozlewni (2), kolektora wylotowego ścieków (3)
Fig. 1. The total number of mesophilic, psychrophilic and proteolytic bacteria in wastewater from: brewhouse,
fermentation room, lagering room and utility room (1), bottlers (2), outlet manifold of wastewater (3)
204
Teresa Krzyśko-Łupicka i Katarzyna Błaszczyk
W ściekach stwierdzono obecność bakterii potencjalnie chorobotwórczych z rodziny
Enterobacteriacae (z wyjątkiem rodzajów Salmonella i Shigella), Pseudomonaceae oraz
rodzajów Staphylococcus i Streptococcus (rys. 2). We wszystkich badanych próbach
występowały drożdże, zaś nie stwierdzono obecności grzybów strzępkowych.
3
2
0
3
SA
BO
KI
N
PA
RK
SS
EN
G
B
UR
AU
ND
1
ER
1
ST
V
2
DO
HE
KT
O
EN
Skala bonitacyjna[-]
4
Rys. 2. Skład populacji bakterii potencjalnie chorobotwórczych i drożdży w: komorze ścieków z warzelni,
fermentowni, leżakowni i bytowo-gospodarczych (1), komorze ścieków z rozlewni (2), kolektorze
wylotowym ścieków (3). Skala bonitacyjna: 0 - brak wzrostu, 1 - pojedyncze kolonie, 2 - słaby wzrost,
3 - intensywny wzrost, 4 - kolonie niepoliczalne
Fig. 2. The population composition of potentially pathogenic bacteria and yeast in the wastewater chamber from
the brewhouse, fermentation room, lagering room and utility room (1), chamber of sewage from the
bottling plant (2); outlet manifold of wastewater (3). The grading scale: 0 - no growth, 1 - single colonies,
2 - weak growth, 3 - intensive growth, 4 - colonies uncountable
a)
b)
0,012
NPL [100 cm ]
10000000
Miano coli [-]
-3
0,010
0,008
0,006
1000000
100000
10000
0,004
1000
0,002
0,000
100
1
2
3
1
próbki
Rys. 3. Miano coli (a) i NLP (b) w badanych ściekach z: warzelni,
i bytowo-gospodarczych (1), rozlewni (2), kolektora wylotowego ścieków (3)
2
3
próbki
fermentowni,
leżakowni
Fig. 3. The total count of coliforms (a) and NLP (b) in the examined wastewater from: brewhouse, fermentation
room, lagering room and utility room (1), bottling plant (2), outlet manifold of wastewater (3)
Także w próbkach ścieków z komory 1 i kolektora spływu ścieków (3) najbardziej
prawdopodobna liczba bakterii (NLP) była znacznie wyższa niż w próbce
Ocena ścieków browarnianych w wybranych punktach linii technologicznej
205
z komory 2, także miano coli wskazuje na silne zanieczyszczenie kałowe ścieków
z komór 1 i 3 (rys. 3).
Wielu autorów także wykazało, że największy ładunek zanieczyszczeń pochodzi
z fermentowni i leżakowni [2-4].
Uzyskane wyniki badań mikrobiologicznych potwierdzają parametry fizykochemiczne
badanych ścieków browarnianych przedstawione w tabeli 1. Wskazują one, że wartości
temperatury, pH, ChZT, BZT5 i zawiesiny ogólnej były wyższe od podawanych
w literaturze [6, 10, 11], a spowodowane są najprawdopodobniej obecnością w ściekach
odpadów poprodukcyjnych (cukrów, rozpuszczalnej skrobi i etanolu). Z kolei stosunek
ChZT/BZT5 wynosi 1,71 i mieści się w granicach przyjętych dla tego rodzaju ścieków
(1,5-1,8) [3] i wskazuje na podatność na biodegradację i szybki rozwój mikroflory. Ścieki
te wyróżnia niska zawartość związków fosforowych i azotowych. Wysoki udział azotu
amonowego w azocie ogólnym wskazuje na zahamowanie procesów nitryfikacji. Natomiast
brak występowania grzybów w tych ściekach jest spowodowany ich alkalicznością.
Tabela 1
Analiza fizykochemiczna ścieków browarnianych
Table 1
Physicochemical analysis of brewery wastewater
Temperatura
pH
BZT5
ChZT
Zawiesina ogólna
Azot amonowy
Azot azotanowy
Azot azotynowy
Azot ogólny Kjeldhala
Azot ogólny
Fosfor ogólny
Chlorki
Siarczany
Rodzaj próbki
surowa
surowa
homogenizowana
sączona
homogenizowana
sączona
surowa
surowa
surowa
surowa
homogenizowana
sączona
homogenizowana
sączona
homogenizowana
sączona
surowa
surowa
Wartość
23
9,85
3800
2750
6500
5050
1491
2,8
0,97
0,94
13,2
5,6
15,1
7,6
38
20,8
190
58
Jednostka miary
[°C]
[-]
[mg O2·dm–3]
[mg O2·dm–3]
[mg O2·dm–3]
[mg O2·dm–3]
[mg·dm–3]
[mg NNH4·dm–3]
[mg NNO3·dm–3]
[mg NNO2·dm–3]
[mg N·dm–3]
[mg N·dm–3]
[mg N·dm–3]
[g N·dm–3]
[g P·dm–3]
[g P·dm–3]
[mg·dm–3]
[mg·dm–3]
Wnioski
Badane ścieki browarniane, niezależnie od miejsca powstawania w ciągu
technologicznym, są bogate w związki organiczne i pierwiastki biogenne, a ich alkaliczność
i podwyższona temperatura stymulują rozwój zarówno bakterii saprofitycznych, jak
i potencjalnie chorobotwórczych. Występująca niejednorodność mikrobiologiczna ścieków
związana jest z procesami technologicznymi, w których powstają. Najwyższy stopień
zanieczyszczeń mikrobiologicznych cechował komorę odbierającą ścieki z warzelni,
fermentowni, leżakowni i ścieki bytowo-gospodarcze oraz kolektor wylotowy ścieków.
Obecność bakterii potencjalnie chorobotwórczych z rodziny Enterobacteriaceae i rodzajów
206
Teresa Krzyśko-Łupicka i Katarzyna Błaszczyk
Pseudomonas, Staphylococcus, Streptococcus, jak również wysokie miano coli wskazują,
że surowe ścieki stwarzają zagrożenie dla pracowników i środowiska. Znalezienie
właściwego rozwiązania oczyszczania ścieków dla konkretnego zakładu jest zadaniem
kompleksowym, wymagającym opracowania i realizacji wieloletniej strategii gospodarki
ściekowej.
Literatura
[1]
Steinhoff-Wrześniewska A, Strzelczyk M, Czyżyk F. Gospodarka materiałowo-odpadowa w przemyśle
piwowarskim. Nauka Przyr Technol. 2011;5(4):47-53. https://www.researchgate.net/publication/
272488180_GOSPODARKA_MATERIALOWO-ODPADOWA_W_PRZEMYSLE_PIWOWARSKIM
MATERIAL_AND_WASTE_MANAGEMENT_IN_BREWING_INDUSTRY.
[2] Związek Pracodawców Przemysłu Piwowarskiego w Polsce „Browary Polskie”. Najlepsze dostępne techniki
(BAT) wytyczne dla przemysłu piwowarskiego. Wskazówki do wydawania pozwoleń zintegrowanych
w
Polsce.
Ministerstwo
Środowiska,
2005.
http://www.ekoportal.gov.pl/fileadmin/Ekoportal/
Pozwolenia_zintegrowane/poradniki_branzowe/10._Najlepsze_Dostepne_Techniki__BAT__wytyczne_dla_
przemyslu_piwowarskiego_-_opracowanie_z_inicjatywy_Zwiazku_Przemyslu_Piwowarskiego_w_Polsce__Browary_Polskie.pdf.
[3] Lewis MJ, Young TW. Piwowarstwo. Warszawa: Wyd Nauk PWN; 2001.
[4] Strzelczyk M, Steinhoff-Wrześniewska A. Indicators of water absorbability and quantity
of wastewater formed in selected branches of food industry. Pol J Chem Technol. 2010;12(4):6-10. DOI:
10.2478/ v10026-010-0040-z.
[5] Adrjanowicz E, Janczar M, Pietkiewicz J. Charakterystyki i kierunki zagospodarowania odpadów
w słodowniach. Przemysł Ferment Owoc-Warzywny. 2000;44(10):20-21.
[6] Janczukowicz W, Mielcarek A, Rodziewicz J, Ostrowska K, Jóźwiak T, Kłodowska I, et al. Charakterystyka
jakościowa ścieków powstających w browarach i słodowniach. Rocz Ochr Środ. 2013;l(15):729-748.
http://ros.edu.pl/images/roczniki/2013/pp_2013_049.pdf.
[7] Długosz J, Gawdzik J. Ocena skuteczności funkcjonowania oczyszczalni ścieków w Barczy (woj.
świętokrzyskie). Proc ECOpole. 2013;7(1):311-317. DOI: 10.2429/proc.2013.7(1)042.
[8] Błaszczyk K, Krzyśko-Łupicka T. Microbial diversity of sewage sludge. Proc ECOpole. 2013;7(2):461-466.
DOI: 10.2429/proc.2013.7(2)059.
[9] Błaszczyk K, Krzyśko-Łupicka T. Microbiological and physico-chemical composition of sewage
sludge derived from the food industry. Chem Didact Ecol Metrol. 2013;18(1-2):89-95. DOI:
10.2478/cdem-2013-0021.
[10] Bartiewicz B, Umiejewska K. Ścieki przemysłowe. Warszawa: Wyd Nauk PWN; 2010.
[11] Sikora J, Żabnicka K. Ilość wytworzonego biogazu podczas fermentacji beztlenowej w zależności od
wysokości CHZT w ściekach surowych wybranego browaru. Infrastrukt Ekol Terenów Wiejskich.
2015;I(1):153-161. DOI: 10.14597/infraeco.2015.1.1.013.
THE ASSESSMENT OF BREWERY WASTEWATER
FROM CHOSEN POINTS OF THE PRODUCTION LINE
Chair of Biotechnology and Molecular Biology, University of Opole
Abstract: The sources of brewery wastewater are: brewhouse, fermentation room lagering room, bottling plant
and packaging washing place. Depending on the stage of the production the sewage are characterized by varying
microbiological and physico-chemical parameters. Due to the high content of organic matter it may provide
a medium for different microorganisms groups. The aim of the study was to evaluate the microbiological content
of brewery wastewater at three different points of the production line, with particular emphasis on the presence of
potentially pathogenic microorganisms. The research material was collected from the chambers with sewage 1 and
2 and from the collector at the outlet into the river. Microbiological testing included the designation of the total
number of mesophilic, psychrophilic, proteolytic microorganisms, yeast and filamentous fungi, coliforms using the
fermentation tubes method and potentially pathogenic microorganisms. Physical and chemical designations were
Ocena ścieków browarnianych w wybranych punktach linii technologicznej
207
made of 24-hour average raw sewage and included: pH, BOD5, COD, oxidisability of total suspended solids,
forms of nitrogen, total phosphorus, chloride and sulphates. The highest level of microbial contamination was
found in chamber 1, receiving wastewater from the brewhouse, fermentation room, lagering room, utility room
and the outlet collector. The high number of mesophilic and psychrophilic microorganisms indicates a large
amount of easily digestible organic matter. However, the 10-times higher number of mesophilic bacteria was
caused by the increased temperature of wastewater. High pH (9.85) favored the process of proteolysis, which is
confirmed by the high number of proteolytic microorganisms (4.2·105 cfu·cm–1). The high contribution of
ammonium nitrogen in the nitrogen generally indicates the inhibition of nitrification. The presence in the
wastewater potentially pathogenic bacteria of the Enterobacteriaceae family and the genera Pseudomonas,
Staphylococcus, Streptococcus, as well as high coliform count show, that raw sewage pose a threat to both workers
and the environment.
Keywords: brewery wastewater, microbiological assessment, physicochemical analysis